TIG-MIG復合焊研究現狀與展望

吉林化工學院(132000)

孫茂齡

機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所(150028)

宋昌洪 吉榮亮 張 靜

TIG-MIG復合焊研究現狀與展望

吉林化工學院(132000)

孫茂齡

機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所(150028)

宋昌洪 吉榮亮 張 靜

TIG-MIG復合焊綜合了純氬氣保護氣氛下熔化極惰性氣體焊的高效特性以及鎢極氬弧焊的高質量特性的一種焊接方法。詳細介紹了前導電弧、TIG-MIG平衡電流、TIG-MIG電極之間距離以及TIG-MIG焊槍之間角度對TIG-MIG焊接性能的影響以及在TIG-MIG焊接實例研究中取得的階段性成果，并探討了目前TIG-MIG復合焊研究存在的問題以及未來可行的研究方向。

TIG-MIG復合焊 前導電弧 TIG-MIG電流平衡 TIG-MIG焊槍角度

0 序 言

鎢極氬弧焊(TIG焊)與熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)是現代產業中被利用最廣泛的兩種氣體保護焊接方法。鎢極氬弧焊在純氬氣保護氣氛中鎢極電極不發生熔化，焊接過程無飛濺產生，焊縫質量較高，但是焊接速度受到限制，焊接效率不高；熔化極惰性氣體保護焊在純氬氣保護氣氛下通過電阻熱與電弧熱量熔化電極，效率高于鎢極氬弧焊接方法，但是焊接過程陰極斑點不穩定，容易產生飛濺,為解決這一問題，通常在純氬氣保護氣氛中加入氧化性氣體(CO2，O2)，雖然使焊接過程中電弧得到穩定，但是由于焊縫中氧元素的增加，降低了焊縫韌性性能[1]。

綜合熔化極氣體保護焊接與鎢極氬弧焊方法的優點，鎢極氬弧焊-熔化極惰性氣體保護焊(TIG-MIG)復合焊接方法被提出。采用TIG-MIG復合焊接方法，即使在純氬氣保護氣氛下，熔化極惰性氣體保護焊接過程中的電弧也能得到穩定，焊后不僅可以獲得與鎢極氬弧焊相同高質量的焊接接頭，而且還能得到與熔化極惰性氣體保護焊一樣的高效率特性，非常符合現代工業對焊接高效、高質量的要求[2-4]。

對于多電級復合焊接方法，電極之間作用對焊接性能影響比較復雜[5-7]。TIG電弧與MIG電弧之間距離小，單電弧產生的磁場容易使雙電弧之間產生干擾，影響焊接過程的穩定以及焊后焊接接頭的質量。

目前，許多國內外學者對TIG-MIG復合焊接方法進行研究，主要集中在前導電弧、TIG-MIG平衡電流、TIG-MIG電極之間距離及TIG-MIG焊槍之間角度對TIG-MIG焊接性能的影響，文中對這幾個方面以及TIG-MIG焊接實例的現狀進行了研究。

1 前導TIG電弧與TIG-MIG平衡電流

Shuhei Kanemaru等人[8-9]采用圖1焊接裝置，通過試驗與數值模擬研究TIG-MIG復合焊接過程發現，TIG-MIG復合焊接過程中TIG電極與MIG電極之間存在電流路徑，并認為電流路徑能夠促進MIG電弧的穩定。圖1為TIG-MIG復合焊接方法示意圖[8]，從圖1中可以看出鎢極氬弧焊采用直流反接(DCEN),可以有效防止焊接過程中鎢極的熔化；熔化極惰性氣體保護焊采用直流正接(DCEP)，促進陽極焊絲的熔融。焊接開始時，TIG電弧首先形成并作為前導電弧，在焊件表面形成熔池之后，MIG電弧被激發并作為跟隨電弧。

圖1 TIG-MIG復合焊裝置

楊濤等人[10]通過高速攝像觀察TIG-MIG復合焊接過程電弧形態以及電弧對熔滴過渡影響發現前導TIG電弧對工件與熔滴具有預熱作用，能起到穩定電弧、降低飛濺作用。

金丸周平等人[11]固定MIG電流在270 A，在100～500 A范圍內變化TIG焊接電流，發現當TIG電流

三島久等人[12]認為， 當TIG電流

田代真一等人[13]通過數值模擬解析TIG-MIG復合焊接過程溫度分布以及金屬蒸氣濃度分布發現隨著電流TIG電流的增大，TIG-MIG電極之間的流通電流減少，認為當TIG電流MIG電流時，TIG-MIG電極之間洛倫茲力較強，電極之間導電能力高的高溫等離子體難以形成，降低TIG-MIG電極之間的電流通量大小。

綜上所述，前導TIG電弧利于改善TIG-MIG復合焊接過程中電弧的穩定是因為TIG電極-MIG電極之間的電流路徑的存在，電流路徑的流通電流大小受TIG-MIG平衡電流的影響；當TIG電流≥MIG電流時能夠獲得穩定的復合電弧，并且隨著TIG電流的增加，熔深也相應得到提高。

2 前導電弧、TIG與MIG電弧之間的距離、TIG/MIG焊槍角度

金丸周平等人[11]采用TIG電弧作為前導電弧，在0～16 mm范圍內改變TIG電極與MIG電極之間距離，認為電極之間距離對焊道寬度作用與MIG電極前傾角有關，TIG電極與MIG電極之間的距離對熔深沒有影響；TIG/MIG焊槍角度選取 ①-15°/+15°；② -30°/+30°；③-45°/+45°；④-60°/+60°四組參數，發現隨著TIG/MIG焊槍之間角度的增加、焊道熔深大小沒有發生變化，認為是由于前導TIG電弧先形成熔池的緣故。

婁建新等人[14]采用MIG電弧作為前導電弧，采用高速攝像觀察以及FLUENT模擬軟件分析不同TIG-MIG電極之間距離對電弧形成機制以及熔池狀態的影響，發現當TIG電極與MIG電極之間距離為10 mm時，焊接過程復合電弧穩定，2個熔池形狀呈“8”字形，TIG電弧對MIG電弧產生良好的預熱作用，降低焊接結構拘束度，減緩焊后冷卻速度，利于焊縫組織細化，焊接性能優于TIG電極與MIG電極之間距離8 mm與12 mm。

Hisashi Mishima等人[15]采用TIG電弧作為前導電弧，通過數值模擬研究(TIG0°/MIG30°，TIG0°/MIG45°，TIG0°/MIG60°，TIG30°/MIG30°)四種角度對電弧以及熱源特性的影響，發現隨著焊槍之間的角度增大，TIG電極與MIG電極之間的高溫等離子體擴張，提高了電導率，增大了電極之間的電流通量大小，影響了電弧形狀；當TIG電極與MIG電極之間角度為TIG0°/MIG45°時，電弧挺度與電弧之間排斥力達到最佳平衡，熱通量(heat flux)最為集中。筆者認為，通過調整TIG焊槍與MIG焊槍之間角度能夠優化等離子與熱源特性。

Shuhei Kanemaru[9]等人采用TIG電弧作為前導電弧，設定TIG電極與MIG電極之間距離4 mm，TIG電極與試樣垂直，改變MIG電極前傾角(TIG0°/MIG+35°)(TIG0°/MIG+45°)(TIG0°/MIG+55°)發現隨著MIG前傾角的增加，熔深變大，當MIG前傾角大于45°時，可以有效改善熔池流動，抑制駝峰形成，獲得良好的焊縫成形。圖2為一體化TIG-MIG焊槍(電極距離4 mm，焊槍角度TIG0°/MIG+45°)，采用該優化焊槍進行焊接，不僅焊道成型美觀，而且對坡口角度裕度范圍也比較大，適合厚板多層多道焊接。

圖2 TIG-MIG復合焊槍外形[9]

綜上所述，前導電弧影響TIG-MIG電極之間距離的選擇；MIG前傾角影響焊縫成形以及熔池流動，通過調整TIG-MIG電極之間距離以及TIG-MIG焊槍之間角度可以優化熱源特性，改善焊接質量。

3 TIG-MIG焊接實例

Shuhei Kanemaru等人[8]采用普通TIG焊與TIG-MIG復合焊方法對SUS304母材進行施焊，通過比較發現,TIG-MIG復合焊焊縫金屬中氧含量較低，見表1。

沖擊韌性最高達到199 J，見表2，與常規TIG焊接焊縫性能相當。但是，TIG-MIG復合焊接時間減少到常規TIG焊接的17%～44%，極大提高了效率。

表1 焊縫中氧元素含量

表2 沖擊吸收能量試驗結果[8] J

M．Ding等人[16]采用TIG-MIG復合焊接鐵素體不銹鋼430與鎂合金AZ31B異種材料，焊接完成后獲得良好的異種材料焊接接頭，克服了單獨MIG焊鎂合金工藝窗口較窄、焊接過程飛濺大、易于出現氣孔等問題。

顏晨光[17]采用TIG-MIG復合焊接中厚度鋁合金殼體縱縫，焊接質量穩定，生產效率得到提高，解決MIG焊焊接縱縫易產生氣孔、TIG焊熔深淺問題，是一種經濟高效焊接方法。

平奇文等人[18]采用TIG-MIG復合焊接方法在母材AZ31B鎂合金表面進行熔敷，通過TIG分流，從而減少焊接熱輸入，獲得高效堆焊。

王軍等人[19]采用TIG-MIG復合焊接方法熔化CuSi3焊絲并堆敷在30CrMnSi母材表面上，通過接頭組織分析看出基體母材與堆焊金屬之間界限明顯，母材熔化量很少，未與銅合金大量混合，除靠近界面處存在零星分布的黑色Fe-Si化合物外，未出現泛鐵現象，得出TIG-MIG焊接方法可以提高焊絲熔敷速率的同時明顯減少對母材的熱輸入量。

婁小飛等人[20]在Q235低碳鋼板表面采用TIG-MIG復合堆焊，通過焊接參數調整實現了高速焊接(2.5 m/min),焊接過程穩定，焊縫成形美觀，無咬邊、駝峰等缺陷出現。

綜上所述，目前TIG-MIG復合焊實例較少，但從目前研究可以看出，TIG-MIG復合焊能夠提高焊縫金屬沖擊韌性和焊接效率，在異種材料焊接、表面熔敷以及焊接性較差材料焊接具有應用優勢。

4 結束語

從前導電弧、TIG-MIG平衡電流、TIG-MIG電極之間距離以及TIG-MIG焊槍之間角度對TIG-MIG焊接性能的影響以及TIG-MIG焊接實例出發，介紹了目前國內外學者對如何獲得穩定、高效率以及高質量TIG-MIG復合焊接階段性研究進展。雖然現階段已經進行了大量的研究工作，但是仍有以下問題需要解決。

(1)機理性研究的深入。影響TIG-MIG復合焊接方法參數比較多，先導電弧、TIG-MIG電流平衡、TIG-MIG電極之間距離、TIG與MIG焊槍之間角度，這些參數對復合焊接過程以及焊接接頭質量作用是相互影響。目前還沒有發現綜合考慮這些參數進行完全、系統性的研究，導致關于TIG-MIG復合焊接機理性研究較少，而且不夠深入。如何能夠進一步從機理理解TIG-MIG復合焊接過程需要進一步研究。

(2)焊接位置的擴展。目前對TIG-MIG復合焊限定在平焊位置，其它位置研究較少，因此限制了該方法在實際工程當中的應用，所以需要科研人員將更多的精力放在TIG-MIG復合全位置焊接研究上。

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2016-06-21

TG442

孫茂齡，1958年出生，大學專科，助理研究員，主要從事特種化工設備材料焊接及熱處理研究，已發表論文4篇。